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钢衬钢纤维自应力混凝土新型复合管道性能和计算理论研究

何化南  
【摘要】:钢纤维自应力混凝土是一种新型纤维增强复合材料。将钢纤维掺入到自应力混凝土中,除了钢纤维本身对混凝土的增强作用,同时还由钢纤维和钢筋共同限制自应力混凝土膨胀在混凝土中产生了预应力也提高了混凝土抗拉强度。钢纤维混凝土和自应力混凝土复合,可以充分发挥二者各自的优势,对混凝土的抗拉,抗裂,抗冲击以及抗疲劳等性能都有明显改善作用。目前,对钢纤维自应力混凝土的研究还只是对其增强机理的探讨以及一些基本力学性能试验和理论研究,而对钢纤维自应力混凝土结构性能研究还几乎是个空白。 将钢纤维自应力混凝土应用到水电站的压力管道中,以期发挥材料的抗裂能力来提高管道的开裂荷载,从而解决压力管道的裂缝控制问题。但这种新材料应用这种新结构中,其结构性能我们尚不十分清楚,基于此本文即在这方面进行了一些工作,开展如下研究工作: (1) 通过直接拉伸试验,确定钢纤维自应力混凝土抗拉强度计算这一重要力学性能指标。考查了自应力等级、配筋率、钢纤维含量等对抗拉强度影响,综合分析后提出了相应的抗拉强度计算模式。 (2) 由直接拉伸试验的荷载—位移曲线整理出配筋钢纤维自应力混凝土受拉应力—应变全曲线,并给出方便结构设计和计算的简化的三折线应力—应变曲线方程。 (3) 通过对不同配筋率、不同纤维体积率的棱柱体试件1~28天的变形测量,总结了钢纤维自应力混凝土膨胀变形随龄期发展状况,并回归出配筋钢纤维自应力混凝土的膨胀变形随配筋率变化的指数关系方程。 (4) 为保证结构安全和经济合理,本文探讨了钢纤维自应力混凝土配筋界限。对最小配筋率确定从强度准则和裂缝控制准则两个方面进行了探讨,给出了钢纤维自应力混凝土受弯构件的最小配筋率计算方法。 (5) 对于管道这种构件,其受力是个二维应力问题。所以用简单的线性理论计算管道自应力在一定范围内就不是很合理。本文以弹性力学理论为基础,用温度膨胀来模拟自应力混凝土的膨胀,推导了二维应力状态下的圆形管道的初始自应力。并以一维限制试件的试验结果为依据,按照同样的理论,采用有限元方法对马蹄形钢纤维自应力压力管道的初始自应力进行了计算。 (6) 进行了钢衬钢纤维自应力混凝土压力管道的结构性能试验研究和理论分析。通过试验考察了钢衬和混凝土联合承载下,自应力和钢纤维对压力管道的开裂性能和裂后性能提高的影响。同时,本文结合管道的受力特点在合理的假设的基础上提出了适合钢衬钢纤维压力管道截面应力计算方法,并把该方法推广到钢衬钢纤维自应力混凝土压力管道的计算上去。 (7) 本文在钢纤维混凝土和预应力混凝土的裂缝宽度计算模式的基础上推导了钢纤维自应力混凝土压力管道的裂缝宽度计算公式。


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